Approfondimento tecnico: Anemometri sonici VS anemometri coppe – banderuola
Il tema della scelta tra la tecnologia degli anemometri a ultrasuoni con camera di misura e di quelli meccanici separati a coppe e banderuola è un argomento spesso trattato con i nostri clienti, che si trovano a dover valutare preventivamente diversi aspetti.
L’obiettivo di questo articolo è quello di fornire una guida tecnica approfondita sul tema, utile per comparare le due diverse tecnologie e per effettuare la scelta in maniera consapevole e adatta alle proprie necessità e specifiche.
Anemometro Velocità e Direzione del vento sonico
Anemometro Velocità del vento a coppe
Anemometro Direzione del vento a banderuola
Scelta in base alla resistenza meccanica
La resistenza meccanica è un fattore importante da considerare nella scelta di un anemometro.
Gli anemometri sonici sono intrinsecamente più robusti, in quanto non hanno parti in movimento; ma questo non significa che gli anemometri a coppe e banderuola siano fragili.
Analizziamo alcuni aspetti:
- La rottura del rotore e della banderuola è un evento molto raro, che avviene in situazioni di vento estremamente forte, superiore a 65 m/s (234 km/h). Queste situazioni anemologiche si verificano solo durante forti uragani, quando la struttura meccanica di supporto dei sensori e i sensori stessi sono a rischio di distruzione, anche a causa dell’impatto con oggetti che volano trascinati dalla forza del vento.
Anemometro Velocità e Direzione del vento sonico
Anemometro Velocità del vento a coppe
- Uno dei problemi degli anemometri a coppe e banderuola è la possibile rottura del rotore e della banderuola dovuta al peso dell’accumulo di neve e/o ghiaccio che può formarsi nei climi particolarmente freddi. Per far fronte a questo problema esistono modelli di anemometri riscaldati, ma queste versioni sono soggette a consumi energetici notevolmente più alti e quindi non adatte a sistemi alimentati a batteria o da sorgente fotovoltaica.
- Gli alberini e cuscinetti progettati per gli anemometri a coppe e banderuola di ultima generazione non presentano, nella maggior parte dei casi, limiti per il loro funzionamento per l’intera vita del sensore. Problematiche di “grippaggio” dei cuscinetti o disassamento degli alberini sono eventi che si possono verificare solo in situazioni in cui l’anemometro è installato su declivi soggetti a forti e costanti venti provenienti dal basso rispetto all’asse del sensore.
Scelta in base alla qualità della misura
La qualità della misura è un fattore cruciale nella scelta di un anemometro. Gli anemometri sonici sono potenzialmente superiori rispetto a quelli a coppe e banderuola per il loro principio di misura, tuttavia è importante fare alcune considerazioni:
- Gli anemometri sonici sono particolarmente raccomandati in situazioni in cui è necessario valutare velocità del vento estremamente basse, inferiori a 0,2 m/s. Questo è dovuto alle loro specifiche migliori in termini di soglia di misura rispetto agli anemometri a coppe e banderuola.
- Gli anemometri sonici sono particolarmente adatti per acquisire l’intensità e la durata delle raffiche di vento, poiché hanno un percorso di ritardo praticamente nullo, quindi una capacità di rispondere in modo rapido a variazioni repentine della velocità del vento.
- Quando si parla di accuratezza totale della misura, invece, è importante fare una distinzione. Gli anemometri sonici con camera di misura, a causa della loro geometria, presentano un’accuratezza generalmente peggiore, soprattutto alle alte velocità del vento, quando si verificano fenomeni di turbolenza all’interno della camera. Questi fenomeni sono difficili da correggere con misure eseguite all’interno di tunnel del vento, poiché il vento può essere costituito da flussi molto più turbolenti, con angolo di provenienza variabile in termini di ampiezza e frequenza, rispetto al flusso d’aria generato all’interno del tunnel, che tende ad essere laminare. Queste turbolenze aumentano con l’innalzarsi del regime di vento ed è per questo motivo che ad alte velocità l’accuratezza generale del sensore sonico generalmente peggiora in modo sensibile.
Comportamento del vento in tunnel con anemometro “sonico” durante sua calibrazione
Comportamento del vento in tunnel con anemometro “coppe” durante sua calibrazione
Comportamento del vento in natura con anemometro “sonico”
Comportamento del vento in natura con anemometro “coppe”
- In condizioni operative di utilizzo in ambiente esterno, il sensore sonico riceve il vento nella propria camera di misura con angoli di incidenza non necessariamente orizzontali. Nelle condizioni di vento più angolato rispetto al piano orizzontale, il “tetto” e il “pavimento” della camera determinano un’azione schermante al flusso d’aria; questi flussi sono invece più facilmente apprezzabili con sensori di velocità a coppe. Complessivamente, un sensore sonico (con camera di misura), ha una potenziale sottostima della misura della velocità, che non segue, come dovrebbe, la curva di risposta rispetto al coseno dell’angolo del flusso rispetto al piano orizzontale.
- In condizioni di forti precipitazioni e forte vento, la presenza di gocce d’acqua in movimento nella camera di misura può alterare il tempo di transito dell’onda ultrasonica. Il tempo di transito è l’elemento fondamentale che consente la misura sia della velocità sia della direzione del vento. Durante le forti piogge, quindi, la bontà della misura con sensori sonici può peggiorare, problema che si presenta in forma minore nei sensori a coppe e banderuola.
- Anche i sensori a coppe presentano problemi di turbolenza creata dalla geometria, ma in generale hanno una riposta di linearità migliore. Ciò facilita l’aggiustamento della misura attraverso formule di correzione inserite nel sistema di acquisizione dati.
- Gli anemometri sonici sono potenzialmente più precisi anche per quanto riguarda la misura della direzione del vento. Tuttavia, la loro geometria provoca una schermatura nella misurazione ad alcuni angoli d’attacco della direzione del vento; ciò significa che, per garantire l’accuratezza dei dati, è necessario eseguire la taratura ad ogni angolo d’attacco potenziale. Gli anemometri a banderuola presentano altresì problemi di ritardo dovuto allo sbandieramento della banderuola rispetto all’asse della direzione: anche in questo caso la taratura nel tunnel non riesce a riprodurre la specifica condizione anemologica. Infatti, in natura, la direzione del vento, all’aumentare della sua velocità, non rimane all’interno di un flusso laminare, ma ha uno sbandieramento direttamente proporzionale alla velocità. Comunque, in meteorologia, si valuta frequentemente la direzione del vento su 16 o 18 settori, quindi non è importante cercare di ottenere risoluzioni molto spinte sulla direzione.
Scelta in base ai consumi energetici
- Per poter funzionare efficacemente e mantenere l’accuratezza della misura, gli anemometri sonici devono essere dotati di opportuni elementi riscaldanti, per evitare la formazione di ghiaccio nella camera di misura e per rimuovere l’acqua eventualmente presente (pioggia, condensa, brina) sulla superficie dei trasduttori sonici e sul tetto della camera predisposta alla riflessione dell’onda sonica.
- Al contrario, per gli anemometri a coppe e banderuola, pur in presenza di pioggia, condensa, brina, ghiaccio e senza sistema di riscaldamento, il funzionamento è meno critico. In primo luogo, perché pioggia e condensa danno poco fastidio alla misura e, in secondo luogo, perché la brina e il ghiaccio, tendono a essere parzialmente rimosse dal moto del sensore. In caso di blocco meccanico, il sensore a coppe e banderuola riprenderebbe a funzionare non appena la temperatura tornasse sopra lo zero, a differenza del sensore sonico che dovrebbe asciugarsi del tutto per riprendere a funzionare completamente.
- Il ghiaccio può comunque rappresentare un problema anche per i sensori a coppe e banderuole in condizioni climatiche di assenza di vento, contemporanea nevicata e successivo abbassamento della temperatura: queste condizioni possono determinare la formazione di masse ghiacciate sul corpo del sensore, tali da compromettere la risposta dinamica in generale e l’integrità meccanica del rotore e/o della banderuola.
- Nell’insieme, il sensore a coppe e banderuola è un sensore molto più semplice, dotato di una elettronica ottimizzata per il basso consumo. Pertanto, se il sistema di misura deve essere alimentato a batteria e pannelli solari, la scelta del sensore a coppe e banderuola è la più consigliabile.
Scelta in base alla manutenzione
- Se da un lato l’assenza di parti in movimento è considerata un vantaggio, dall’altro permette una più facile deposizione di sporcizia sull’anemometro sonico.
- Gli anemometri sonici riscontrano problemi quando i loro elementi emettitori/ricettori dell’impulso sonico sono otturati, oppure quando la superficie superiore della camera di misura risulta sporca. Ciò può avvenire in presenza di polvere, sabbia, o altre sostanze depositatesi sulla superficie del sensore. Inoltre, la camera di misura è un posto ideale per nidi d’insetto o di piccoli uccelli. Qualora gli anemometri sonici venissero installati in zone caratterizzate da forte presenza di polvere, sabbia, fitta vegetazione, o presso siti industriali, sarà necessaria una frequente attività di pulizia del sensore.
- Le attività di pulizia dei sensori a coppe e banderuola, installati nei siti descritti sopra, devono comunque essere messe in pratica, seppur in maniera meno critica, al fine di evitare il deposito di detriti o sostanze contaminanti che potrebbero, alla lunga, compromettere l’integrità dei materiali di cui questi sensori sono costituiti.
Scelta in base all’installazione
- Gli anemometri sonici sono facili da installare poiché non richiedono la perfetta orizzontalità della camera di misura. Pertanto, le strutture che li supportano (pali e torri) non devono necessariamente essere perfettamente orizzontali rispetto al piano terrestre. Al contrario, per gli anemometri a coppe e banderuola è consigliabile osservare una buona orizzontalità del rotore, per evitare che l’alberino interno lavori non orizzontalmente, e della banderuola, per evitare che essa, per il peso dei suoi estremi, non riesca a orientarsi correttamente alle bassissime velocità del vento.
- Nel caso in cui la scelta ricada su anemometri a coppe e banderuola separati, occorre considerare l’utilizzo di una struttura di fissaggio per i due sensori (barra di accoppiamento) tenendo presente che ci saranno necessariamente due cavi elettrici diretti al sistema di acquisizione. Invece, gli anemometri sonici non necessitano di accessori particolari ed hanno un unico cavo di collegamento all’unità di acquisizione.
- Alcuni modelli di anemometri sonici sono dotati di bussola magnetica interna che serve a evitare di dover orientare manualmente il sensore rispetto al Nord. Tuttavia, queste bussole soffrono di due problemi: necessariamente indicano il Nord magnetico e non il Nord geografico che è richiesto per la corretta misura della direzione del vento; sono, inoltre, piuttosto soggette ad errori sistematici dovuti alla presenza di materiali ferrosi nelle vicinanze. Questi due problemi portano spesso a dover disattivare la bussola per l’orientamento automatico e a utilizzare, durante la fase di installazione, il classico metodo di orientamento del sensore tramite l’uso di una bussola esterna.
Conclusioni
Nel confronto tra anemometri sonici e meccanici a coppe e banderuola, si può affermare che non esiste una tecnologia migliore in assoluto: la scelta va fatta considerando accuratamente il campo di applicazione e le diverse esigenze.
Nella scelta è necessario tenere in conto la destinazione d’uso e gli obiettivi; nel momento in cui queste informazioni vengono definite, si possono valutare le variabili descritte in precedenza, come la resistenza meccanica, la qualità della misura, il consumo energetico, la manutenzione e la facilità di installazione.
Concludendo, si può dire che la valutazione è efficace quando tiene conto di tutti i diversi fattori precedentemente menzionati. Se la tecnologia è stata scelta secondo i giusti criteri, andrà ad incidere in maniera positiva sull’efficacia e sull’efficienza dello strumento di misura.